\mychapter{O Processamento de Gás Natural}
\label{cap:processamento}

Neste capítulo serão apresentadas informações sobre a produção e o processamento
de gás natural bem como algumas características do gás produzido na UPGN II de
Guamaré-RN. Em seguida será comentado sobre o funcionamento de uma UPGN,
mostrando o esquema de funcionamento básico de um sistema de destilação
fracionada e logo após será apresentada uma breve descrição sobre o sistema
simulado.

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\section{A indústria do gás}
A indústria do gás natural vem apresentando um crescimento significativo ao
longo dos anos, o que reforça cada vez mais a posição desse produto como uma
fonte de energia alternativa. Segundo a Agência Internacional de Energia, em
2003, a participação do gás natural no consumo mundial de energia era da ordem
de 16,3\%.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) informa que em 2005 as reservas
provadas do Brasil eram da ordem de 230 bilhões de m$^3$, dos quais 48\% estão
localizados no Estado do Rio de janeiro, 20\% no Amazonas, 9,6\% na Bahia e 8\%
no Rio Grande do Norte. Para a ANEEL, a participação do gás natural na matriz
energética brasileira ainda era pouco expressiva, da ordem de 5,6\% do consumo
final.

\Glossary{ANEEL}{Agência Nacional de Energia Elétrica}

Para a Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural de Biocombustíveis (ANP), as
reservas provadas saltaram de 227,7 bilhões de m${}^3$ em 2007 para 364,2
bilhões de m${}^3$ em 2008. No mesmo período a produção de gás natural mais que
duplicou, passando de 26,5 para 59 milhões de m${}^3$/dia.

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\section{O gás natural}
Semelhante aos demais combustíveis fósseis, o gás natural é uma mistura de
hidrocarbonetos gasosos originados da decomposição de matéria orgânica
fossilizada ao longo de milhões de anos. Em seu estado bruto, é composto
essencialmente por metano, com proporções variadas de etano, propano, butano e
hidrocarbonetos mais pesados, além de dióxido de carbono ($CO_2$), nitrogênio
gasoso ($N_2$), sulfeto de hidrogênio ($H_2S$), água, ácido clorídrico, metanol
e outras impurezas.

\Glossary{$CO_2$}{Dióxido de carbono}
\Glossary{$N_2$}{Nitrogênio gasoso}
\Glossary{$H_2S$}{Sulfeto de hidrogênio}

As principais características desse gás são a sua densidade em relação ao ar, o
poder calorífico, o ponto de orvalho\footnote{O ponto de orvalho é a temperatura
na qual ocorre a formação da primeira gota de líquido quando o gás sofre
resfriamento ou compressão.} da água e dos hidrocarbonetos, além de seus teores
de carbono, $CO_2$, hidrogênio, oxigênio e compostos sulfurosos. Outras
características intrínsecas importantes são os baixos índices de emissão de
gases poluentes, rápida dispersão em caso de vazamentos e baixos índices de
odor e contaminantes.

Devido as suas propriedades e características químicas o gás natural é um insumo
altamente qualificado para ser usado como matéria prima. Na indústria do
petróleo, o gás natural é utilizado para a produção de uma série de compostos.

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\subsection{Produção e separação}
Para \citeasnoun{thomas:2001}, ao longo da vida produtiva de um campo de
petróleo ocorre, geralmente, a produção simultânea de gás, óleo e água. Devido
ao interesse econômico ser direcionado à produção de hidrocarbonetos (gás e
óleo), os campos marítimos e terrestres são dotados de certas ``facilidades de
produção'', que são as instalações destinadas a efetuar, sob condições
controladas, o processamento primário de fluidos. Segundo ele a produção do gás
pode ser considerada como resultado da composição de três partes, e tem seu
início quando, em campo, as produções dos poços são submetidas a processos de
separação.

A primeira parte é proveniente dos hidrocarbonetos que nas condições de
temperatura e pressão do reservatório já se encontram no estado gasoso. A
segunda parte são os hidrocarbonetos que se encontram dissolvidos em óleo e que,
quando levados à superfície, são vaporizados. Por fim, a terceira parte são os
hidrocarbonetos dissolvidos em água, os quais normalmente não são contabilizados
nos cálculos de produção.

A separação do gás natural ocorre através de separadores bifásicos horizontais
que por apresentarem uma maior área superficial de interface, permitem uma
melhor separação líquido/gás e gás/líquido. Nesse tipo de separador, o fluido
entra e choca-se com os defletores de entrada, provocando uma mudança brusca de
velocidade e direção do fluido. A força da gravidade causa a separação das
gotículas líquidas mais pesadas que deixam a corrente de gás e se acumulam no
fundo do vaso, onde o líquido é coletado. Para que isso seja possível essa seção
de coleta deve ocorrer dentro de um intervalo de tempo apropriado de modo que o
gás consiga ser desprendido do líquido, indo para a parte superior do separador.
Um esquema simples de funcionamento pode ser visualizado na figura
\ref{fig:sep_bifasico}.

\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.75\textwidth]{imgs/processamento/eps/sep_bifasico}
\caption{Esquema de um separador bifásico.}
\label{fig:sep_bifasico}
\end{figure}

A pressão do separador é mantida por um controlador que atua regulando o fluxo
de saída do gás pela parte superior. O líquido separado deixa o vaso através de
uma válvula cuja abertura e fechamento é regulado por um controle de nível
\cite{thomas:2001}.

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\subsection{Condicionamento e o processamento}
O condicionamento ou o tratamento do gás é o conjunto de processos físicos e/ou
químicos aos quais o gás é submetido de modo a remover/reduzir os teores de
contaminantes para atender as especificações de mercado. O condicionamento
envolve processos de desidratação (absorção ou adsorção) e dessulfurização
(absorção química ou física).

Livre da fase líquida, o gás natural é encaminhado para as unidades de
processamento de gás natural (UPGN) para que seja promovida a separação das
frações leves (metano e etano que constituem o gás residual) das pesadas, que
apresentam um maior valor comercial. Segundo \citeasnoun{thomas:2001}, parte do
gás residual produzido é consumido nas áreas produtoras para elevação artificial
de petróleo ({\it gas-lift}), para a recuperação secundária de reservatórios
através da injeção em poços ou ainda como combustível. Caso a produção de gás
residual seja maior do que a demanda das áreas produtoras, o excesso é
transferido (se economicamente viável) ou conduzido para os queimadores.

A unidade de processamento de gás natural em estudo faz parte de um grupo de
três UPGNs localizadas na unidade de tratamento e processamento de fluidos
(UTPF) de Guamaré-RN. Essas unidades recebem petróleo e gás natural provenientes
dos campos de extração marítimos ({\it offshore}) e terrestres ({\it onshore}),
transformando-os em produtos de consumo para o mercado.

\Glossary{UTPF}{Unidade de Tratamento e Processamento de Fluidos}

A tabela \ref{tab:composicao_gas_guamare} é o resultado da análise de uma
amostra do gás natural que chega para ser processado no Polo Petroquímico de
Guamaré \cite{lima:2001}. Essa composição é influenciada pela entrada de novos
campos de produção e o fechamento de poços, o que pode causar alterações na
proporção de contribuição dos compostos na mistura total.

\begin{table}[htp]
\centering
\caption{Composição de uma amostra do gás natural em Guamaré-RN.}
\vspace{0.25cm}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
\hline
{\bf Componente} & {\bf Fórmula química} & 
{\bf Fórmula Simplificada} & {\bf \% em mol}\\ 
\hline 
\hline
Metano             & $CH_{4}$      & $C_1$ & 76,15\\ 
\hline
Etano              & $C_{2}H_{6}$  & $C_2$ & 10,64\\ 
\hline
Propano            & $C_{3}H_{8}$  & $C_3$ & 5,88\\ 
\hline
Butano             & $C_{4}H_{10}$ & $C_4$ & 2,44\\ 
\hline
Dióxido de carbono & $CO_{2}$      & --    & 2,32\\
\hline
Nitrogênio         & $N_{2}$       & --    & 1,38\\ 
\hline
Pentano            & $C_{5}H_{12}$ & $C_5$ & 0,87\\
\hline
Hexano             & $C_{6}H_{14}$ & $C_6$ & 0,30\\ 
\hline
Heptano            & $C_{7}H_{16}$ & $C_7$ & 0,10\\ 
\hline
Octano             & $C_{8}H_{18}$ & $C_8$ & 0,01\\
\hline
\end{tabular}
\label{tab:composicao_gas_guamare}
\end{table}

Nas UPGNs, geralmente, o gás natural passa por processos para a remoção de água
e elementos oxidantes e em seguida é encaminhado para uma série de colunas ou
torres de destilação fracionada para ser decomposto. Além do gás residual citado
acima, também são normalmente produzidos a gasolina natural e o gás liquefeito
de petróleo (GLP), produto de maior interesse econômico.

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\section{Destilação fracionada}
Para \citeasnoun{luyben:1990} as colunas destilação fazem parte do processo mais
importante e popular dos processos químicos. Apesar de estarem sendo estudados
ao longo de várias décadas, os processos de destilação ainda encantam
pesquisadores da área de controle de processos. Isso ocorre devido ao fato da
destilação ser a técnica de separação mais comumente utilizada pelas indústrias
químicas e petroquímicas.

Esse processo é realizado através da adição ou subtração de calor baseado nas
diferentes temperaturas de ebulição dos compostos a serem separados. Na
indústria do petróleo, a destilação é normalmente realizada em grandes colunas
cilíndricas verticais, denominadas colunas de destilação fracionada
\cite{linhares:2009}. A figura \ref{fig:torre} representa um diagrama
esquemático de uma dessas colunas que, em conjunto com o refervedor ({\it
reboiler}) e o condensador, forma um sistema de destilação.

\begin{figure}[H]
\centering
\includegraphics[width=0.5\textwidth]{imgs/processamento/eps/torre}
\caption{Coluna ou torre de destilação.}
\label{fig:torre}
\end{figure}

A coluna de destilação possui uma estrutura tubular cilíndrica de diâmetro
variável com uma altura de 6 à 60 metros. Seu interior é normalmente preenchido
com diversos pratos perfurados que determinam os ``estágios'' onde ocorre o
contato entre líquidos e vapores. A alimentação da coluna é normalmente
realizada em um dos estágios intermediários.

O refervedor é responsável pela vaporização do líquido de fundo a partir de um
processo de troca de calor. Essa troca é realizada através de um fluxo de vapor
que retorna à coluna e um fluxo de líquido que é retirado dela. O líquido
retirado é denominado produto de fundo da coluna de destilação e é geralmente
composto pelas frações mais pesadas da mistura.

Os componentes mais leves que atingem o topo da coluna na forma de vapor são
resfriados pelo condensador através de um processo de troca de calor, geralmente
utilizando água fria ou ar, e em seguida são armazenados no vaso de condensado.
O líquido presente nesse reservatório dá origem a dois fluxos dos quais os
componentes mais leves constituem o produto de topo da coluna e os mais pesados
retornam para a coluna. Segundo \citeasnoun{linhares:2009}, esse último é
conhecido como refluxo e é de fundamental importância para a eficiência da
destilação, aumentando o rendimento do processo.

Os vapores originados do refervedor seguem ascendentemente e ao ultrapassar cada
um dos estágios tornam-se mais ricos em componentes leves. Analogamente, o fluxo
que segue descendentemente torna-se cada vez mais rico em frações pesadas.  Para
\citeasnoun{lima:2001} esses fenômenos ocorrem devido ao equilíbrio
líquido-vapor, como reflexo das diferentes temperaturas em cada estágio.

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\section{UPGN simulada}
As colunas demetanizadoras, deetanizadoras, depropanizadoras e debutanizadoras
são exemplos de colunas de destilação normalmente encontradas em UPGNs. Cada
UPGN possui uma estrutura complexa e diferenciada de acordo com as
características do gás natural que à alimenta e com seus produtos finais.

A UPGN-II GMR, simulada neste trabalho, é constituída por uma coluna
deetanizadora em série com uma coluna debutanizadora. A unidade contém ainda uma
coluna depropanizadora, mas essa não faz parte da operação rotineira da UPGN,
entrando em operação apenas quando é necessário corrigir o nível de propano no
ciclo de refrigeração da UTPF e, por essa razão, será desconsiderada nesse
estudo. As duas colunas de interesse foram simuladas computacionalmente no {\it
software} de processos químicos HYSYS\textsuperscript{\textregistered}.

\Glossary{GMR}{Guamaré}

As colunas de destilação que serão apresentadas são do tipo contínuo, de forma
que o processo é alimentado continuamente. Diferentemente da destilação em
batelada, o processo contínuo possui um melhor rendimento \cite{junior:2007}.

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\subsection{Coluna deetanizadora}
\label{sec:col_deeta}
A primeira fase do processo de destilação se dá na coluna deetanizadora. Nessa,
são esperados como produtos de topo e de fundo, respectivamente, o gás residual
e o líquido de gás natural (LGN). A figura \ref{fig:deeta} representa um esquema
da coluna simulada bem como o conjunto de controladores PID e demais
instrumentos. A nomenclatura adotada para cada um dos instrumentos segue a
nomenclatura da planta real.

\Glossary{LGN}{Líquido de Gás Natural}

\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{imgs/processamento/eps/deeta}
\caption{Coluna deetanizadora simulada.}
\label{fig:deeta}
\end{figure}

A alimentação da coluna é feita em diversos pontos (linhas 10, 15, 27 e 28),
fornecendo ao processo um tipo de gás composto por hidrocarbonetos variados
($C_1+$). 

Como explicado anteriormente, os componentes mais leves do gás atingirão o topo
formando o produto de topo da coluna. Ao passar pelo trocador de calor LNG-100,
parte desse produto é depositado no vaso de condensado V-100 e parte do líquido
do vaso retorna à coluna. O controle da vazão de refluxo é realizado pelo
controlador em cascata formado pelos controladores de nível LIC-101 (mestre) e
de vazão FIC-100 (escravo). Baseado na pressão de topo da coluna, o controlador
de pressão PIC-100 atua ajustando o nível de abertura da válvula VLV-103,
determinando a quantidade de gás residual a ser liberado do vaso de condensado
para comercialização.

Ja na parte inferior da coluna, os componentes mais pesados do gás de carga são
encaminhados em sua forma líquida para o refervedor E-100 de modo que após a
troca de calor o vapor resultante retorne à coluna. A troca de calor do E-100 é
feita utilizando-se um fluxo de óleo térmico cuja vazão é controlada pela
pela válvula VLV-101, que por sua vez é ajustada de acordo com o controlador de
vazão FIC-102. Assim como o FIC-100 citado acima, o FIC-102 que opera em
cascata, sendo escravo do controlador TIC-100.

O restante do líquido que não foi vaporizado compõe o LGN que é encaminhado para
a próxima fase da destilação, a coluna debutanizadora. A vazão do LGN para a
próxima coluna é regulada a partir do nível de líquido presente no fundo da
coluna, sendo ajustada pelo controlador em cascata formado pelos controladores
de nível LIC-100 (mestre) e de vazão FIC-101 (escravo). O LGN obtido é composto
essencialmente por $C_{3+}$ e $C_2$ não vaporizado.

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\subsection{Coluna debutanizadora}
A coluna debutanizadora constitui a última fase da destilação no sistema em
estudo. Nessa coluna são obtidos o GLP e a gasolina natural como produtos de
topo e de fundo, respectivamente.  A figura \ref{fig:debuta} representa um
esquema da coluna bem como o conjunto de controladores PID e demais instrumentos
presentes na simulação. Assim como na figura \ref{fig:deeta}, a nomenclatura
adotada para cada um dos instrumentos segue a nomenclatura da planta real. 

\begin{figure}[htb]
\centering
\includegraphics[width=0.7\textwidth]{imgs/processamento/eps/debuta}
\caption{Coluna debutanizadora simulada.}
\label{fig:debuta}
\end{figure}

Conforme descrito na seção \ref{sec:col_deeta}, o LGN obtido constitui a
alimentação desta coluna. A parte dos componentes mais pesados do LGN são
encaminhados para o refervedor P-24011-2, cuja troca de calor também utiliza um
fluxo de óleo térmico regulado pela válvula VLV-103-3. O nível de abertura dessa
válvula é ajustado de acordo com a temperatura interna da coluna através do
controlador TIC-102-2. O vapor obtido retorna à coluna e segue seu fluxo
ascendente. A outra parte do produto de fundo é comercializada como gasolina
natural. Seu fluxo é ajustado pelo controle em cascata realizado pelos
controladores de nível LIC-100 (mestre) e de vazão FIC-101 (escravo). Composta
essencialmente por $C_{5+}$, a gasolina natural possui ainda uma pequena
quantidade de $C_4$ não vaporizado.

Na parte superior da coluna o produto de topo é conduzido para o vaso de
condensado V-24014-2 através de dois caminhos, podendo ou não passar pelo
condensador ({\it air-cooler}) P-24010. O produto que segue diretamente para o
vaso de condensado depende da atuação do controlador de pressão em {\it split
range} SPLT-100 sobre a válvula {\it ByPass}-2. Parte do GLP obtido no vaso de
condensado é extraído através da linha de saída GLP-Saída-2 e a outra parte
retorna à coluna. Essa última possui vazão regulada pelo controlador de vazão
FIC-101-2, o qual ajusta a abertura da válvula VLV-101-3.

Se a pressão interna do vaso de condensado se tornar demasiadamente elevada,
parte do GLP é ``aliviado'' para queima através da linha Gas\_Saída-2. Essa é
uma medida de segurança na qual a vazão do GLP que sai para queima é regulada
pela abertura da válvula de alívio VLV-104, ajustada pelo SPLT-100.

A destilação realizada pela coluna debutanizadora visa a obter como produto de
topo os componentes mais leves de sua carga. No entanto, devido ao aquecimento
da coluna, parte dos componentes pesados, principalmente os pentanos, acabam
contaminando o GLP. Por outro lado, se a coluna não for aquecida
suficientemente, os produtos leves não serão vaporizados, sendo depositados
junto ao produto de fundo \citeasnoun{junior:2007}. Além dos pentanos, o GLP
também apresenta em sua composição os etanos presentes no LGN que, por serem
agora expostos à temperaturas mais elevadas, são completamente retirados do
processo.

O pentano presente no GLP é formado, principalmente, pela soma das frações
molares do i-pentano e do n-pentano, que apresentam a mesma tendência de
variação em função das condições de operação \citeasnoun{linhares:2009}.

Para que o GLP atenda as especificações de mercado, as frações molares de seus
contaminantes devem ser mantidas entre pequenas faixas de aceitação
preestabelecidas pela ANP. Na UPGN-II GMR, um dos poucos instrumentos capazes de
realizar a medição das frações molares dos componentes do GLP, os cromatógrafos
a gás, são compartilhados entre diversas linhas de produção e, por esse motivo,
os intervalos de medição são normalmente grandes, tornando inviável a criação de
estratégias de controle e supervisão mais sofisticadas. Ter acesso a essas
informações permitiria controlar a qualidade do GLP, aumentando a lucratividade
da UPGN.
